论文总字数：32537字

摘 要

与其他能源相比，太阳能是一种清洁，高效的可再生能源，然而太阳能电池高昂的价格阻碍了光伏发电的广泛应用，发展低成本硅材料制备技术和提高太阳能电池的效率具有十分重要的意义。晶硅太阳能电池作为全球太阳能市场的主导目前已经进入第三代，第三代太阳能电池可以通过光谱调制提高光电转换的效率，从而超过传统设计的理论效率极限。下转换层的设计就是光谱调制的一种，原理是将光谱响较差的高能光子转换为多个低能光子，以充分利用太阳光谱。稀土掺杂下转换材料在该应用方向前景广阔，但该材料主要问题是低的吸收截面和浓度猝灭。稀土元素具有丰富能级结构和光谱信息， Yb³ 的²F_5/2的能级跃迁可以发射980 nm的光子。我们选择Yb³ 作为活化离子，通过水热法合成了Tb³ 复掺的NaYF₄下转换材料。本论文的主要内容是设计适用于晶硅太阳能电池的紫外下转换材料。

关键词：晶硅太阳能电池 光谱调制 下转换 NaYF₄

Synthesis and properties of UV down-conversion materials co-doped Yb and rare earth ion

Abstract

Compared with other energy, solar energy is a clean and renewable energy source. However, the high price of solar cells impedes the process of application of photovoltaic generation. It is of great significance to develop preparation technology of low-cost silicon materials and improve the efficiency of solar cells. Crystalline Si solar cell as the predominance of solar energy market in the world, has entered the Third Generation Photovoltaics. The Third Generation Photovoltaics can promote the efficiency of by modifying solar spectrum, which will bypass the theoretical efficiency’s limit of traditional design. The design of the down-conversion layer is a kind of modulated spectrum. The principle is to convert the high energy with poor spectral response into more low-energy photons, which will make full use of the solar spectrum. Down-conversion materials doped rare earth ion have a bright future in this field, but the main challenges are low absorption cross section and quenching effect. Rare earth elements have rich energy levels and spectral information. The ²F_5/2 energy level transition of Yb³ can emit photons of 980 nm. We selected Yb³ as the activator and synthesized the down conversion materials doped with Tb³ by hydrothermal method. The main content of this paper is to design UV down-conversion materials for c-Si solar cells.

Key words: c-Si solar cells; solar spectrum; quantum cutting; down-conversion; NaYF₄

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 晶硅太阳能电池的研究进展 2

1.3 光子下转换过程 3

1.3.1 稀土离子的能级 3

1.3.1 稀土离子间的能量传递 4

1.3.1 下转换发光机理 5

1.4 下转换材料的选择 6

1.4.1 发光基质 6

1.4.2 稀土掺杂离子 7

1.5 稀土下转换材料的制备 8

1.5.1 溶胶凝胶法 8

1.5.2 低温燃烧法 8

1.5.3 化学共沉淀法 8

1.5.4 水热法 8

1.5.5 高温固相法 8

1.6 课题研究的意义和内容 9

第二章 β-NaYF₄:Tb³ ,Yb³ 下转换材料的合成与表征 11

2.1 引言 11

2.2 实验部分 11

2.2.1 原材料 11

2.2.2 样品的制备 12

2.2.3 实验方案 13

2.3 测试与表征 14

2.3.1 X射线衍射分析（XRD） 14

2.3.2 扫描电镜分析（SEM） 14

2.3.3 荧光光谱（FS） 14

2.4 结果与讨论 15

2.4.1 Tb³ 掺杂量对目标产物性能的影响 15

2.4.2 水热时间对NaYF₄:Tb³ ,Yb³ 晶体性能的影响 17

2.4.3 络合剂种类对NaYF₄晶体形貌的调控 18

第三章 Li 掺杂增强NaYF₄:Tb³ ,Yb³ 下转换发光 19

3.1 引言 19

3.2 实验部分 20

3.3 结果与讨论 21

3.3.1 Li 掺杂对NaYF₄:Tb³ ,Yb³ 结晶性能影响 21

3.3.2 Li 掺杂对NaYF₄:Tb³ ,Yb³ 发光性能影响 21

第四章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致谢 29

第一章 绪论

1.1 引言

太阳能是一种清洁可再生的新能源，光电转换就是一种高效利用太阳能的方式。在光电转换中，研究人员开发和研制了各种高效太阳能电池，例如晶体硅电池和薄膜电池并将之推向“第三代”电池。晶体硅太阳能电池作为产业化规模最大的第一代电池，目前占全球太阳能市场份额约90%，大面积商品化电池效率单晶硅不超过20%，而多晶硅的效率不超过18%^[1]。相比其他能源，光伏发电广泛应用的主要困难在于太阳能电池高昂的价格，因此发展低成本的硅材料制备技术和提高光电转换效率倍受研究者的重视。

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